电火花堆焊技术

电火花堆焊技术摘要随着工业的快速发展，对机械工具、模具零部件及设备零部件等的性能和使用寿命的要求越来越高。

电火花堆焊技术是一种具有独特技术优势的新兴材料表面技术，在表面耐磨损、耐腐蚀抗氧化、表面修复与改性等方面具有广阔的应用前景，不仅应用于工具、模具与刃具、矿山、冶金、汽车、医用器材等一般工业领域，还可以应用于核反应堆、直升机和战机引擎等高端零件。

关键词：电火花堆焊；表面技术；零件修复；应用现状目录目录摘要 (I)目录 (II)1 绪论 (1)1.1引言 (1)2电火花堆焊技术的工作原理 (1)3 电火花堆焊技术的特点 (2)4电火花堆焊技术的工艺参数 (3)4.1比沉积时间对沉积层质量的影响 (3)4.2沉积功率和沉积电压对沉积层厚度的影响 (3)4.3沉积频率对沉积层厚度的影响 (4)5 电火花堆焊的应用现状 (4)5.1金属材料的表面改性 (4)5.2精密机械零部件表面的尺寸修复 (4)5.3材料表面的异种材料堆焊 (5)6 结语 (5)参考文献 (5)5 搅拌摩擦点焊在汽车工业和航空工业的应用状况1 绪论1.1引言为了改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐高温等性能，以提高金属材料的使用寿命，人们采取了许多措施，来降低生产成本。

其中多种多样的金属表面处理工艺，如堆焊、电镀、激光熔敷、热喷涂、气相沉积等工艺为改善金属表面的物理、化学性能提供了可能。

近几年，利用陶瓷材料的高耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性来改善金属材料表面性能的应用越来越广泛，也越来越引起国内国际科研机构的重视。

而金属表面电火花沉积技术是近期发展起来的新技术，是在传统工艺基础上发展起来的新工艺。

电火花堆焊工艺是将电源存储的高能量电能，在金属电极（阳极）与金属母材（阴极）间瞬间高频释放，通过电极材料与母材间的空气电离，形成通道，使母材表面产生瞬间高温、高压微区；同时离子态的电极材料在微电场的作用下融渗到母材基体，形成冶金结合。

经过电火花堆焊处理的金属母材表层能形成高硬度、高耐磨、抗腐蚀和红硬性好的堆焊层；而且堆焊层与基体属于冶金结合，非常牢固，不易脱落。

如由钢制造的铝合金压铸模具（内燃机齿轮端盖），为了提高抗热疲劳性和抗冲蚀性，在其表面沉积电极材料，经过的沉积处理，使堆焊层硬度可达到，后处理工艺用油石研磨，处理后大幅度提高了模具寿命，同时，产品（铝合金端盖）表面质量好。

模具寿命由压铸万件提高至万件。

2电火花堆焊技术的工作原理电火花沉积(Electro-Spark Deposition；ESD) 技术是通过电火花放电的作用，利用瞬间高脉冲能量产生很大电流，最大脉冲放电频率为2000Hz，可使电流密度最高达10-10A/cm。

这种高能量，高电流将产生大量的热能，使电极和工件接触部分的金属熔化并且形成熔池，加上电极的往复运动过程中的压合作用，使熔池中融化的金属沉积到基体表面，此过程将使基体表面产生微小的融化区，并且金属发生了重新的冶金反应，实现了冶金结合，以形成各方面性能良好的，比如硬度变高，耐磨性变好的合金涂层，进而实现了基体金属表面的各项性能得到提高和改善[1]。

电火花表面加工处理方法是一个涉及到甚多学科的复杂的系统工程，有冶金学，摩擦学以及材料性能等等。

电火花沉积实际上属于电火花特种加工领域。

电火花成型，电火花磨削、电火花雕刻、线切割（电火花切割）均属于传统的电火花加工技术。

这些工艺都是利用了电火花放电来对基体材料烧灼腐蚀或者去除目录功能来实现最终的加工要求。

然而本文讲到的电火花堆焊则是在烧蚀去除材料的同时又将其融化，而冷态的基体金属又使刚刚的融化区快速发生了冷却，从而产生了电火花强化的效果。

我们又使沉积过程中加以气体保护（如Ar气的保护），有了气体保护就可以使在电火花放电的同时阴阳两极间的氩气被电离击穿并形成了微小的电弧产生，从而致使沉积层又拥有了脉冲氩弧焊的强化效果，从而使电极与基体金属间形成结合强度更高的冶金结合层。

3 电火花堆焊技术的特点电火花堆焊是利用电极棒在工作表面旋转，在相互接触的微小区域瞬时(10-6~10-5 s)流过高密度的电流(105～106A/cm2)，由于放电能量在时间和空间上高度集中，在微小的放电区域内产生了5000~25000K的高温，使该区域的局部材料高能离子化，电极棒高速转移到工件表面，并扩散进入到工件表层，形成冶金型牢固结合的沉积层。

可按不同性能的要求，使工件具有高硬度、高耐磨性、高疲劳强度、高耐腐蚀性和抗氧化、耐高温、耐烧蚀等特殊性能，广泛应用于工具、模具、刃具、农机、军工、医药、汽车、食品、矿山、冶金等行业机械零部件的表面强化，以及失效零部件的表面修复。

与其它表面技术相比，电火花堆焊具有如下的优点[1-4]：(1)能量输入低，基体保持在室温，热影响区及变形极小，因此，可以忽略其对基体的影响。

(2)快速凝固。

由于放电时间比放电间隔时间短，放电间隔期间热量迅速扩散到工件的其他部分，因此热量不会集中在工件的处理部分，实现了真正意义的冷焊。

(3)与基体冶金结合且结合强度高，明显优于热喷涂。

(4)涂层细密、一致性好。

(5)仅需要少量的前处理与后处理，有时甚至不需要。

(6)适于原地或在线修复(设备移动性好)。

这点对于大型工件或在线设备的修复非常重要。

(7)适用范围广，可适用于所有能导电、可熔的金属及陶瓷材料。

电火花沉积还有一些其它的优点，例如：容易自动化、环境友好(不存在噪声、水气等环境污染)、可用于视线看不到的地方，如零件的内孔、凹槽部位。

电火花沉积也存在着一定的缺点，比如它的表面沉积层较薄(一般小于l mm，尤以10µm 内为佳)，沉积速度慢、效率低，因此它不适用于大的区域及形状复杂的表面。

5 搅拌摩擦点焊在汽车工业和航空工业的应用状况4电火花堆焊技术的工艺参数电火花堆焊的设备和工艺对沉积效率和质量的影响非常显著。

影响电火堆焊的工艺参数很多，发达国家经过系统研究，将其分类如下[5]：(1)电极及其运动。

材料(材料复合、密度、微观结构)、外形、运动速度、接触力、循环次数等。

(2)基体材料。

材料、表面粗糙度、清洁度、外形、温度。

(3)电源。

电火花能量与频率、电压、电容、电火花持续时间、感应系数。

(4)环境。

气体成分、气体流量及模式、温度。

(5)堆焊材料。

根据应用场合不同，至今为止已经使用的沉积材料有①用于抗磨：硬质碳化物(W、Ti、Cr、Ta、Mo、Hf、Zr、Nb、V等的碳化物)，耐磨堆焊合金(钨铬钴合金、高镍含铬合金)，Ti、Zr、Ta等有硼化物，金属间化合物和金属陶瓷。

②用于耐蚀：不锈钢，特殊合金(哈司特镍合金、因康镍合金等)，Fe、Ni和Ti与Al的金属间化合物，多元合金FeCrAlY、NiCrAlY、CoCrAlY。

③用于修复或改性：镍基或钴基超合金，Au、Ag、Pt、Ir、Pd、Rh等贵金属，W、Mo、Ta，Re、Nb、Hf等难熔金属及其合金，Fe、Ni、Cr、Co、AI、Ti、Cu、Zr、Zn、V、Sn、Er等的合金。

国内对电火花堆焊的研究较晚且范围较窄，往往以沉积层厚度作为评价性能和选择工艺参数的依据。

因此关于电火花沉积工艺试验研究也多集中在如何确定工艺参数与沉积层厚度的关系和如何增加沉积层厚度上，电火花电容、电压、频率以及比沉积时间等的研究上。

4.1 比沉积时间对沉积层质量的影响在无氩气保护状态下，沉积层的厚度随着时间的增长逐渐增大，当比沉积时间达到某一值时，沉积层厚度达到最大值，随后沉积层厚度缓慢下降。

当沉积时间超过临界值之后，沉积层裂纹逐渐增多，并随时间的增长，沉积层破碎减薄，孔隙较多，产生撕裂，碎化的倾向越严重，有些地方会出现脱落现象，沉积层质量较差。

主要原因是由于电火花表面沉积是利用火花放电的能量使金属材料在瞬间熔化甚至气化，然后又急剧地冷却而凝固，在这种骤热骤冷的过程中，沉积层内部存在着热应力，反复的热作用使沉积层产生热疲劳，达到一定程度后便产生裂纹而最后崩裂，导致碎化、脱落现象的出现[6]。

4.2 沉积功率和沉积电压对沉积层厚度的影响随着电火花沉积功率的增大，沉积层厚度也逐渐增大。

在其它沉积条件相同的情况下，随着沉积电压的增大，脉冲放电能量也随着增大，释放的能量也就越大，电极熔融速度变大，一次转移的电极材料量增大，沉目录积层的厚度因此也随之增厚。

同样电火花沉积功率对电火花沉积层厚度的影响也是很大的，在其它沉积参数一定的情况下，随着电火花沉积功率的增大，脉冲放电能量增大，一次转移的电极材料体积较大，沉积层厚度也增大。

4.3 沉积频率对沉积层厚度的影响随着电火花沉积频率的增加，电火花沉积层厚度也是不断随着增加的，因为随着频率的增加，电极熔融速度逐渐由慢变快，所以沉积层厚度也随之增加。

5 电火花堆焊的应用现状电火花沉积工艺可用来沉积设备的表面，在塑料模具、压铸模具、造纸烘缸(电镀表面)、挤压模具、恶劣环境下工作的飞轮、叶轮、轧辊、机床部件、精密机械部件的表面沉积及修补。

5.1 金属材料的表面改性20世纪90年代后期，在中国大陆，中国农机院表面工程技术研究中心所研制的大中系列电极旋转式的电火花沉积设备得到了广泛应用[7]。

利用这一系统，同时将92WC-8Co作为电极材料对铁铝压铸模具型腔表面进行强化层改性，显著提高了型腔表面的抗铝液热疲劳蠕变性能。

1999年，Cerole Reignier 在TWI杂志上发表了一篇文章，文章描述了通过应用电火花强化工艺在金属表面制造强化层结果，这篇文章也认为电火花沉积强化技术在铝压铸模具制造方面具有广泛发展应用前景[8]。

电火花沉积工艺还应用于冷冲模、客车大型模具、金属压印模、弯曲模、塑料模具、铸型模等各种模具的型腔表面改性强化。

应用显示，改性强化后的工模具耐用度提高了2倍以上[9]。

冶金行业中，轧辊的主要失效形式是磨损。

采用电火花工艺对其表面强化后，寿命显著提高，并可消除轧制金属打滑，降低轧辊金属板材间的粘连磨损。

5.2 精密机械零部件表面的尺寸修复1999年，中国农机院表面工程技术研究所与哈尔滨汽轮机厂合作[10]，采用电火花堆焊工艺首次成功修复了电厂的30万千瓦发电机组轴径的密封段磨损面，从而解决了这一类部件很多技术难题，如损坏后不能焊接修复，刷镀层性能很差，喷涂结合强度不够等等。

随后的四年中，在北京、甘肃、广东、山东、黑龙江、山西、云南很多地区，大中型电厂成功修复同类产品一百多件。

精密机械零部件表面的镀Cr层破损后，采用熔化焊接工艺很难达到满意的堆焊修复效果，利用电火花堆焊工艺在缺陷处堆焊Ni基材料，不仅可以恢复缺陷尺寸，极低的热输入量也不会使堆焊边缘的镀Cr层剥离。

5 搅拌摩擦点焊在汽车工业和航空工业的应用状况5.3 材料表面的异种材料堆焊利用电火花堆焊系统可实现不同熔点金属间冶金结合的特点，在发动机附件燃烧室与外环道气道表面沉积WC-Co材料，解决了其在高速运行中金属粘着磨损的问题。